Плазменный источник светового излучения на основе магнитоприжатого разряда

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности, к способам и устройствам с управляемой плазмой, и может быть использована для решения широкого круга технических задач в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки и испытаний материалов и др. Заявленная нами полезная модель позволяет создать малогабаритный высокоэффективный плазменный источник излучения при относительно малых токах разряда с длительным, порядка единиц секунд, режимом излучения, с возможностью управления в широком диапазоне параметрами источника излучения, такими как спектральный состав, энергетическая светимость, энергия излучения. Такой технический эффект достигнут нами, когда в плазменном источнике светового излучения на основе МПР, включающем источник питания в виде тиристорного выпрямителя, формирователь излучающей плазмы из узла создания прижимающего магнитного поля из магнита с сердечником и разрядного узла, выполненного в виде установленного в зазоре сердечника магнита лотка из диэлектрического материала с плоским дном, в открытых торцах которого расположены электроды, выполненные из графита, соединенные между собой инициатором разряда, при этом инициатор разряда снабжен автономным емкостным источником питания, а узел создания прижимающего магнитного поля выполнен в виде магнита с сердечником, новым является то, что магнит выполнен в виде постоянного магнита из двух изготовленных из композитного материала Nd - Fe - B пластин, намагниченных в направлении, перпендикулярном наибольшей поверхности, с величиной остаточной намагниченности не менее 1.4 Тл, при этом длина и ширина пластин равна длине и ширине боковых стенок лотка, а пластины размещены в зазоре сердечника параллельно друг другу, разноименными полюсами, обращенными внутрь зазора, с расстоянием между ними, равным ширине лотка. 3 илл.

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности, к способам и устройствам с управляемой плазмой, и может быть использована для решения широкого круга технических задач в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки и испытаний материалов и др.

Плазменные излучатели, созданные по принципу разрядов с испаряемой стенкой, могут работать как в импульсном, так и в длительном квазинепрерывном режиме. К числу таких разрядов относится магнитоприжатый разряд (МПР), прижатый магнитным полем к ограничивающей непроводящей стенке [1]. Перечислим особенности этого разряда:

- благодаря наложению магнитного поля разряд может существовать в различных конфигурациях, в том числе и в плоской, что позволяет реализовать оптимальное соотношение объема плазмы и площади ее излучающей поверхности;

- в отличие от нестабилизированных дуговых разрядов МПР обладает возрастающей вольт - амперной характеристикой, что обеспечивает эффективное энерговыделение в плазменной нагрузке.

- в отличие от разрядов в полностью замкнутых объемах (газоразрядные лампы) в МПР отсутствует ограничение на вводимую энергию, обусловленное пределом механической прочности стенок разрядного канала;

- длительность свечения и площадь излучающей поверхности ограничиваются только возможностями энергопитания;

- разряд может существовать в любых газах и в вакууме с плазмообразующей подложкой из любого непроводящего материала, что дает возможность менять спектральный состав излучения.

Известно устройство для получения светового излучения на основе МПР [Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ. 1986. Т. 2. 5, С. 837.], включающее источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, размещенный в корпусе и укрепленный на нем формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и магнитной катушки, последовательно включенной в цепь питания разрядного узла, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала, дно и стенки лотка покрыты плазмообразующим материалом, в открытых торцах лотка расположены металлические электроды, между которыми размещен инициатор разряда в виде полоски алюминиевой фольги, а магнитная катушка выполнена в виде плоских широких шин, проходящих под дном лотка и соединенных между собой и разрядным каналом так, что ток в шинах и в разрядном канале протекает в одном направлении, причем межэлектродный промежуток разрядного канала является частью витка магнитной катушки. Пондеромоторная сила, прижимающая разрядный канал ко дну лотка, оказывается пропорциональной величине тока разряда I во второй степени. На переднем фронте импульса разрядного тока величина пондеромоторной силы оказывается недостаточной для сдерживания расширения плазменного канала под действием высокого газового давления, возникающего в плазме при инициировании разряда. Расширение канала разряда приводит к уменьшению объемной плотности вводимой в разряд электрической энергии и уменьшению мощности излучения. То же происходит на спаде тока. Магнитная система в виде трехвитковой катушки, используемая в этой конструкции излучателя, создает в лотке магнитное поле с требуемыми значениями индукции (~2,5 Тл) только при очень больших значениях тока, протекающего через нее (~2·10⁵ А). Такая катушка не позволяет увеличить индукцию прижимающего поля за счет увеличения числа витков, так как каждый дополнительный виток будет располагаться на большем удалении от канала разряда и давать все меньший вклад в суммарную величину индукции магнитного поля. Плазменный источник излучения такой конструкции является эффективным излучателем лишь в области максимума разрядного тока, когда магнитное и газовое давление в плазме выравниваются, и происходит стабилизация разряда.

Известно устройство получения светового излучения на основе МПР [Пат. РФ 2370002, МПК H05H 1/50, приор. 20.10.2008 г.], выбранное нами в качестве прототипа, включающее в себя источник питания в виде тиристорного выпрямителя, формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и узла создания прижимающего магнитного поля, разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала, в открытых торцах которого расположены электроды, соединенные между собой инициатором разряда, источник питания разрядного узла выполнен в виде выпрямителя, узел создания прижимающего магнитного поля - в виде электромагнита с сердечником, обмотка которого соединена с отдельным источником питания в виде выпрямителя, лоток установлен в зазоре сердечника электромагнита, покрытие лотка выбрано из термостойкого материала, а электроды выполнены из графита, при этом инициатор разряда снабжен автономным емкостным источником питания.

Такой излучатель может быть использован только в стационарных стендовых условиях, поскольку его работа обеспечивается тремя независимыми источниками питания: тиристорным выпрямителем питания основного разряда, выпрямителем для питания обмоток электромагнита и емкостным источником питания инициатора разряда. Кроме того, электромагнит, создающий прижимающее магнитное поле, имеет большие габариты и вес свыше 200 кг. Эти особенности и сложная схема управления работой плазменного излучателя, обеспечивающая синхронный запуск всех блоков питания, затрудняет использовать этот плазменный излучатель, например, в составе мобильного светоиспытательного комплекса в полевых условиях.

Заявленная нами полезная модель позволяет создать малогабаритный высокоэффективный плазменный источник излучения при относительно малых токах разряда с длительным, порядка единиц секунд, режимом излучения, с возможностью управления в широком диапазоне параметрами источника излучения, такими как спектральный состав, энергетическая светимость, энергия излучения. Устройство пригодно для использования в составе мобильных технологических комплексов в полевых условиях.

Такой технический эффект достигнут нами, когда в плазменном источнике светового излучения на основе магнитоприжатого разряда, включающем источник питания в виде тиристорного выпрямителя, формирователь излучающей плазмы из узла создания прижимающего магнитного поля из магнита с сердечником и разрядного узла, выполненного в виде установленого в зазоре сердечника магнита лотка из диэлектрического материала с плоским дном, в открытых торцах которого расположены электроды, выполненные из графита, соединенные между собой инициатором разряда, при этом инициатор разряда снабжен автономным емкостным источником питания, а между положительными выводами тиристорного выпрямителя и емкостного источника питания включен развязывающий диод, новым является то, что магнит выполнен в виде постоянного магнита из по крайней мере одной пары изготовленных из композитного материала Nd - Fe - B пластин, намагниченных в направлении, перпендикулярном наибольшей поверхности, с величиной остаточной намагниченности не менее 1.4 Тл, при этом пластины размещены разноименными полюсами друг к другу, а длина и ширина пластин равна длине и ширине боковых стенок лотка.

Подходы к решению задачи создания прижимающего магнитного поля известны.

Подходы к инициированию разряда с помощью емкостного накопителя известны.

На фиг. 1 показана электрическая схема заявленного устройства, где источник 1 питания излучателя, емкостной накопитель 2 инициирования разряда, формирователь 3 разряда, развязывающий диод 4, инициатор разряда 5.

На фиг. 2 приведена конструкция плазменного излучателя, где сердечник 6 электромагнита, постоянные магниты 7, лоток 8, электроды 9, токоподводы 10 основного разряда.

На фиг. 3 приведены кадры киносъемки плазменного канала, снятые через ослабляющие нейтральные светофильтры.

Работа заявленной полезной модели рассмотрена на примере устройства, описанного в примере конкретного исполнения (см. фиг. 1, 2).

Устройство работает следующим образом. Плазменный излучатель с возможностью регулирования параметров излучения создается при использовании МПР. В качестве узла, создающего прижимающее магнитное поле, нами выбран постоянный магнит, состоящий из сердечника 6 и пары пластин 7 постоянных магнитов. В зазоре сердечника без использования дополнительного источника питания при уменьшенных габаритах сердечника создается пространственно однородное магнитное поле с необходимой индукцией. Благодаря использованию однородного магнитного поля при прочих равных условиях удается сформировать плазменный слой с максимально возможной оптической толщиной и мощностью излучения. Полярность подключения тиристорного выпрямителя 1 к электродам 9 основного разряда выбрана так, что возникающее в зазоре сердечника магнитное поле создавало бы пондеромоторную силу , направленную так, чтобы канал разряда прижимался к дну лотка.

Разрядный узел 3, выполненный в виде диэлектрического лотка 8 с открытыми торцами, помещают в зазор сердечника 6 постоянного магнита. В открытых торцах лотка размещаются электроды 9. Выводы 10 электродов подключаются к мощному тиристорному выпрямителю 1. Благодаря этому возникает возможность пропускания через разрядный канал тока большой величины при относительно низком, характерном для дуговых разрядов, напряжении в течение длительного времени. Электроды 9 соединяются между собой узкой полоской алюминиевой фольги, служащей инициатором 5 разряда. К электродам 9 подключается автономный блок питания 2 инициатора разряда, выполненный в виде высоковольтного емкостного накопителя небольшой емкости. Развязывающий диод 4 препятствует попаданию высокого напряжения емкостного накопителя на выход тиристорного выпрямителя.

Рабочий цикл начинается с подачи на электроды 9 высокого напряжения от емкостного накопителя 2 и напряжения от тиристорного выпрямителя 1 основного разряда. Под действием тока разряда емкостного накопителя происходит электрический взрыв инициатора 5 разряда. Начальная стадия формирования плазменного канала разряда в лотке происходит в магнитном поле постоянного магнита. При этом разлет плазменного канала под действием высокого газового давления, образовавшегося при взрыве фольги, сдерживается магнитным полем, что повышает объемную плотность вводимой в разряд электрической энергии и мощность излучения. По образовавшемуся плазменному каналу протекает ток от тиристорного выпрямителя основного разряда. Под действием джоулева нагрева током тиристорного выпрямителя плазменный канал разогревается и прижимается магнитным полем ко дну лотка. Продукты возгонки материала дна и стенок лотка непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют стационарно излучающий слой. Благодаря размещению лотка в зазоре сердечника постоянного магнита образуется устойчивая во времени и пространстве конфигурация плазменного излучателя (фиг. 3).

Управление амплитудой и временной формой светового импульса осуществляют подачей на вход тиристорного выпрямителя управляющего напряжения соответствующей формы. Параметры управляющего напряжения зависят от схемы выпрямителя. Подходы к управлению тиристорными выпрямителями известны.

Пример конкретного исполнения, (см. Фиг. 1, 2).

В нашей организации изготовлен макет квазинепрерывного плазменного излучателя для интенсивного облучения на основе магнитоприжатого разряда.

Питание излучателя осуществляется от сетевого тиристорного агрегата КТЭУ-4000. Этот агрегат электрической мощностью W _эл=3 МВт обеспечивает на низкоомной нагрузке ток I5000 А, напряжение U600 В. Такая электрическая мощность при температуре плазмы T_пл=6000 К обеспечивает площадь излучающей поверхности МПР15 см².

Линейная плотность тока, способная обеспечить T_пл=6000 К, I/b2,5÷3 кА/см (здесь b - ширина канала разряда) [2]. Следовательно, при питании МПР от сетевого тиристорного агрегата КТЭУ-4000 ширина канала разряда может быть b2 см и, соответственно, длина L8 см.

Пластины постоянного магнита изготавливаются из композитного материала Nd - Fe - B, обладающего наибольшей остаточной намагниченностью и намагничиваются в направлении, перпендикулярном наибольшей поверхности. Для создания однородного магнитного поля во всем объеме разрядного канала размеры пластин выбираются равными размерам боковых стенок лотка. Пластины устанавливаются параллельно друг другу в сердечник разноименными полюсами внутрь зазора на расстоянии, равном ширине лотка. В качестве материала сердечника электромагнита выбрана обычная малоуглеродистая мягкая сталь. В зазоре постоянного магнита устанавливается лоток, изготовленный из фибры. Электроды изготовлены из графита. Электроды подключены к сетевому тиристорному агрегату КТЭУ-4000. Инициирование разряда осуществляется с помощью электрического взрыва полоски алюминиевой фольги шириной 5-7 мм, толщиной 10-20 мкм, замыкающей разрядный промежуток при подаче на электроды напряжения U=3 кВ от накопителя емкостью 1000 мкФ.

Для проверки возможности формирования световых импульсов с заданной временной формой проведены испытания с профилированным импульсом разрядного тока длительностью 1 с. Отсутствие резких скачков напряжения на плазменном канале, его сопротивления и вкладываемой электрической мощности свидетельствует о полной стабилизации плазменного канала магнитным полем. Это подтверждается и кадрами киносъемки плазменного канала, приведенными на фиг. 3.

Энергетическая светимость плазменного излучателя в этом режиме достигает 3500 Вт/см², яркость - 560 Вт/см² стер, мощность излучения со всей поверхности - 31500 Вт, лучистый поток - 5000 Вт/стер. За весь импульс разряд излучает 15000 Дж.

Проведенные испытания магнитоприжатого разряда с магнитной системой в виде постоянных магнитов с сердечником показали, что разряд является эффективным излучателем, способным работать в квазинепрерывном режиме с длительностью свечения в единицы секунд. Временная форма импульса излучения разряда определяется вкладываемой электрической мощностью и задается формой сигнала управления на входе тиристорного регулятора. Мощность излучения плазменного источника превышает 30 кВт.

Литература:

1. Горшкова Л.Д., Горшков В.А., Подмошенский И.В. Получение плазмы в разряде, прижатом к стенке магнитным полем. ТВТ. 1968. Т. 6. С. 1130-1132.

2. Горшкова Л.Д., Миронов И.С., Подмошенский И.В. Электрические характеристики и баланс энергии Н-прижатого разряда. ТВТ. Т. 16. 6. С. 1130-1133.

Плазменный источник светового излучения на основе магнитоприжатого разряда, включающий источник питания в виде тиристорного выпрямителя, формирователь излучающей плазмы из узла создания прижимающего магнитного поля из магнита с сердечником и разрядного узла, выполненного в виде установленого в зазоре сердечника магнита лотка из диэлектрического материала с плоским дном, в открытых торцах которого расположены электроды, выполненные из графита, соединенные между собой инициатором разряда, при этом инициатор разряда снабжен автономным емкостным источником питания, а между положительными выводами тиристорного выпрямителя и емкостного источника питания включен развязывающий диод, отличающийся тем, что магнит выполнен в виде постоянного магнита из по крайней мере одной пары изготовленных из композитного материала Nd - Fe - В пластин, намагниченных в направлении, перпендикулярном наибольшей поверхности, с величиной остаточной намагниченности не менее 1.4 Тл, при этом пластины размещены разноименными полюсами друг к другу, а длина и ширина пластин равна длине и ширине боковых стенок лотка.

РИСУНКИ